文|偲睿洞察 蔡凡
2022年，即將到來(lái)的北京冬奧會(huì)刮起了一陣氫能源的旋風(fēng)。冬奧會(huì)的火炬?zhèn)鬟f，全部采用氫能源。在核心賽區(qū)，延慶和張家口投入了700余輛氫燃料大巴車(chē)，用于日常的交通運(yùn)輸。
這股“氫旋風(fēng)”還刮到了A股市場(chǎng)上，氫能源概念紅到發(fā)紫，刺激個(gè)股頻頻漲停——主營(yíng)氣體運(yùn)輸裝備的京城股份，在去年12月份實(shí)現(xiàn)了14個(gè)漲停板，股價(jià)單月飆漲300%；主營(yíng)高壓容器的石重裝實(shí)現(xiàn)了六連板；開(kāi)發(fā)氫能電源產(chǎn)品的動(dòng)力源，也在上月下旬連續(xù)三個(gè)漲停板。
這是氫能源在當(dāng)下火熱的縮影。與其他新能源相比，氫能源不僅儲(chǔ)量大、無(wú)污染，還兼具零碳排的特性。每單位質(zhì)量所蘊(yùn)含的能量更是石油的3倍、煤炭的4-5倍。除此之外，氫能源應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，氫燃料電池可以供給重載卡車(chē)、有軌電車(chē)、船舶、無(wú)人機(jī)、分布式發(fā)電等行業(yè)；綠色制氫還可消納太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電間歇式、狀態(tài)高低起伏不定的問(wèn)題。
根據(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟的預(yù)測(cè)，到2025和2035年，我國(guó)氫產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將分別達(dá)到1萬(wàn)億和5萬(wàn)億規(guī)模。
氫能前景固然廣闊，但落地的困境卻不容忽視。
在國(guó)外，日美的氫能源能占到各自能源總量的10%以上。日本擁有世界上數(shù)量最多加氫站，美國(guó)則擁有最低廉的氫能源價(jià)格，兩國(guó)燃料電池應(yīng)用均已經(jīng)投入商業(yè)銷(xiāo)售。
反觀國(guó)內(nèi)，當(dāng)前氫能源的占比只有4%。據(jù)未來(lái)智庫(kù)測(cè)算，2020年我國(guó)氫能總成本約為60-80元/kg，距離30元/kg的可商用價(jià)格相距甚遠(yuǎn)。
氫能源價(jià)格居高不下，還要追溯到制氫、儲(chǔ)氫和運(yùn)氫三大環(huán)節(jié)，它們使我國(guó)氫能發(fā)展面臨著開(kāi)局不利、技術(shù)瓶頸與規(guī)?；s束等重重難題，令“降成本”困難重重。
那么，氫能降成本難題究竟如何拆解？又如何破解？
01點(diǎn)歪“科技樹(shù)”的制氫
中國(guó)的能源結(jié)構(gòu)可以歸納為“富煤、貧油、少氣”。這種特殊的結(jié)構(gòu)令中國(guó)成了名副其實(shí)的“煤炭大國(guó)”——大量的化工產(chǎn)業(yè)平均每天要消耗掉95萬(wàn)噸的煤炭資源，同時(shí)產(chǎn)生巨量的化工副產(chǎn)物。
這些副產(chǎn)物中，焦?fàn)t氣和氯堿等是極其便利的制氫原料。我國(guó)氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的初期，就依托化工生產(chǎn)中的副產(chǎn)物作為主供氫源的原材料，以節(jié)省制氫投資，降低成本。
借助原生資源的優(yōu)勢(shì)，短短幾年間，我國(guó)就成為世界第一大產(chǎn)氫國(guó)。2020年中國(guó)氫氣產(chǎn)量突破2500萬(wàn)噸，已連續(xù)多年位列世界第一。
但成也蕭何，敗也蕭何。
依托化工副產(chǎn)物生產(chǎn)的氫能源，有個(gè)致命的問(wèn)題——不能算作真正的“綠色能源”。
事實(shí)上按照制氫工藝的不同，氫能源大體分為 “灰氫”、“藍(lán)氫”和“綠氫”三類(lèi)。其中，借由對(duì)工業(yè)副產(chǎn)物進(jìn)行提純獲取氫氣，俗稱(chēng)“灰氫”。通過(guò)裂解煤炭或者天然氣所得的氫氣，便是“藍(lán)氫”?！熬G氫”則是通過(guò)可再生能源、電解水等方法，實(shí)現(xiàn)全程百分之百零碳排、零污染。
“灰氫”和“藍(lán)氫”本質(zhì)上仍然是用化石燃料提供能量，會(huì)產(chǎn)生大量的碳排放。相關(guān)研究表明，制造“藍(lán)氫”所產(chǎn)生的碳足跡，比直接使用天然氣或煤炭取暖高出20%，比使用柴油取暖高出約60%。而“灰氫”的污染還要高出18%-25%?？v使有碳捕捉與封存技術(shù)（CCS）降低碳排放，依舊是杯水車(chē)薪。
也就是說(shuō)，要符合氫能源產(chǎn)業(yè)零碳排的核心理念，產(chǎn)業(yè)界只能期望于綠氫。
但中國(guó)的綠氫產(chǎn)能著實(shí)少得可憐。由于我國(guó)氫能源產(chǎn)業(yè)相較歐美日發(fā)展較晚，為了在短期內(nèi)快速發(fā)展，我國(guó)優(yōu)先選擇了依托于優(yōu)勢(shì)資源煤炭發(fā)展氫產(chǎn)業(yè)，其代價(jià)便是，“綠氫”制備所需的基礎(chǔ)建設(shè)的投資和相關(guān)技術(shù)遲遲未有發(fā)展。2020年，我國(guó)灰氫的占比超過(guò)60%，綠氫尚且不足1%。
一筆經(jīng)濟(jì)賬可以看出綠氫與灰氫的成本差距：
在我國(guó)，電解水制氫的平均成本是38元/kg，其中電力成本要占到總成本的50%以上，而使用工業(yè)副產(chǎn)物制氫，平均成本僅僅只8-14元/kg。這意味著，工業(yè)電價(jià)要從當(dāng)前的0.6kW·h對(duì)半折到0.3kW·h以下，綠氫才能在市場(chǎng)上具有競(jìng)爭(zhēng)性。
但對(duì)標(biāo)歐美日等國(guó)家，歐盟的綠氫的成本價(jià)低于14元/kg；美國(guó)的綠氫在12元/kg左右，而日本的綠氫成本固定在13.2元/kg。
（圖片來(lái)源：偲睿咨詢(xún)）
如何讓綠氫從奢侈品行列變成經(jīng)濟(jì)適用型，成為困擾中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)的一大難題。
而進(jìn)一步拆分成本，造成綠氫高成本的兩大因素分別是電力消耗量和架設(shè)電解槽費(fèi)用。歐美給出的解答是政府引導(dǎo)+技術(shù)革新。
在歐盟，從2020起由政府牽頭投資相繼安裝了6千兆瓦的可再生氫能電解槽，降低企業(yè)制造綠氫時(shí)電解槽的費(fèi)用。
在技術(shù)上，歐盟摒棄采取工業(yè)用電電解水的模式，而使用PEM技術(shù)電解制氫。PEM技術(shù)的電解池結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，這使得其電解槽運(yùn)行電流密度通常是堿性水電解槽的4倍以上，效率極高，平均每生產(chǎn)1立方米氫氣可節(jié)省1千瓦時(shí)的電力。
想要讓這個(gè)棵歪掉的“科技樹(shù)”回到正軌，就需要投入很高的時(shí)間成本和資金成本。
去年11月，中石化建成首座PEM氫氣提純?cè)O(shè)施，其陰極和陽(yáng)極催化劑、雙極板以及集電器等關(guān)鍵核心材料部件均實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，制氫效率達(dá)85%以上。而這筆投資的門(mén)檻是數(shù)十億，研發(fā)周期在兩年以上。
寶豐能源也在斥巨資投入綠氫項(xiàng)目。其在互動(dòng)平臺(tái)上表示，2021年4月，耗時(shí)兩年后，公司首批電解水制氫項(xiàng)目全部投產(chǎn)，預(yù)計(jì)年產(chǎn)2.4億標(biāo)方“綠氫”和1.2億標(biāo)方“綠氧”。據(jù)其公開(kāi)披露數(shù)據(jù)，近兩年來(lái)，寶豐能源在綠氫項(xiàng)目上已投入超過(guò)20億元。
除了兩家代表性頭部企業(yè)以外，絕大多數(shù)中下游的企業(yè)，仍在生產(chǎn)灰氫。如何將點(diǎn)歪的灰氫科技樹(shù)扭轉(zhuǎn)回綠氫產(chǎn)業(yè)，必將需要長(zhǎng)時(shí)間的產(chǎn)業(yè)引導(dǎo)。
02被“氫脆”卡脖子的儲(chǔ)氫
作為一種化學(xué)性質(zhì)活潑的氣體，氫氣生產(chǎn)之后，需要用一種既安全又經(jīng)濟(jì)的方式儲(chǔ)存起來(lái)。儲(chǔ)氫不僅是令我國(guó)頭疼的難題，而且在全世界，都沒(méi)有很好的解決辦法。
國(guó)內(nèi)的主流方法是采取高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫。目前，我國(guó)儲(chǔ)氫瓶的成本造價(jià)在27000元左右，同時(shí)配套設(shè)施的價(jià)格在15萬(wàn)元，對(duì)標(biāo)美國(guó)，儲(chǔ)氫瓶的價(jià)格也在22000元左右，略低于中國(guó)，但同樣高昂。
高成本源于氫頑皮的特性，學(xué)術(shù)上稱(chēng)作“氫脆現(xiàn)象”。
所謂“氫脆”是指，氫氣會(huì)在金屬晶粒附近聚集起來(lái)，破壞金屬的結(jié)構(gòu)，讓金屬脹氣變脆。氫氣會(huì)在金屬內(nèi)累積成18.7兆帕的高壓，這是地表氣壓187倍。更糟糕的是，氫脆一經(jīng)產(chǎn)生，就消除不了。
氫脆在歷史上引發(fā)過(guò)嚴(yán)重的事故。
1943年1月16日的晚上，俄勒岡州造船廠發(fā)出巨響，尚未交付的自由輪一下子斷成了兩半，這在當(dāng)時(shí)引起了巨大的恐慌，眾人都以為是納粹的黑科技。
無(wú)獨(dú)有偶，2013年，世界上最寬的橋，舊金山-奧克蘭海灣大橋?yàn)榧磳⒌絹?lái)的通車(chē)進(jìn)行測(cè)試。然而僅僅2周，負(fù)責(zé)把橋面固定在水泥柱上的保險(xiǎn)螺栓就出現(xiàn)了裂痕，96個(gè)保險(xiǎn)螺栓里有30個(gè)壞掉了，使得這座大橋幾乎成了廢品。
為了緩解“氫脆”的困擾，全球想出了一種特殊的解決方法——低溫液態(tài)儲(chǔ)氫。將氫氣壓縮成液體，能大幅避開(kāi)氣態(tài)氫造成的安全隱患。
學(xué)界普遍認(rèn)為，液氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)是儲(chǔ)氫技術(shù)發(fā)展的重要方向。
但目前，我國(guó)液氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)相對(duì)落后，缺少大容量、低蒸發(fā)率的液氫存儲(chǔ)設(shè)備的開(kāi)發(fā)。僅有的一些研究，多聚焦在高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫方面。
例如，2020年，中科院寧波材料所使用高強(qiáng)高模碳纖維作為儲(chǔ)氫瓶的內(nèi)膽，大幅提升了儲(chǔ)氫瓶性能。企業(yè)方面，京城股份投建了全亞洲最大的高壓儲(chǔ)氫瓶設(shè)計(jì)測(cè)試中心及生產(chǎn)線。
儲(chǔ)氫成本的大山，路漫漫其修遠(yuǎn)兮。
03“爹不疼媽不愛(ài)”的運(yùn)氫
作為氫氣“出廠”前的最后一步，運(yùn)氫在整個(gè)氫能產(chǎn)業(yè)鏈中地位舉足輕重。
然而長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)的氫氣運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)處于“爹不疼媽不愛(ài)”的境地，沒(méi)有系統(tǒng)性的規(guī)劃——幾乎所有中央和地方層面的戰(zhàn)略規(guī)劃中，都提到了制氫和終端應(yīng)用環(huán)節(jié)。
（圖片來(lái)源：偲睿咨詢(xún)）
理論上，氫氣運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)分為短途和中長(zhǎng)途兩種。短途的運(yùn)輸可依賴(lài)長(zhǎng)管拖車(chē)，中長(zhǎng)距離的運(yùn)輸對(duì)成本敏感許多。其中一種經(jīng)濟(jì)的方式，是先將氫氣轉(zhuǎn)為高密度的液氫狀態(tài)再進(jìn)行運(yùn)輸。
液氫能適應(yīng)陸運(yùn)和海運(yùn)的模式。在陸運(yùn)上，液氫儲(chǔ)罐最大容積可達(dá)到200立方米，是長(zhǎng)管拖車(chē)模式的2倍。海運(yùn)的液氫儲(chǔ)罐最大容積可達(dá)到1000立方米，在歐洲和加拿大氫氣運(yùn)輸中，就均采用液氫海運(yùn)的模式。
如此重要的液氫在中國(guó)卻產(chǎn)能極低。目前，液氫工廠僅有陜西興平、海南文昌、中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司第六研究院第101研究所和西昌衛(wèi)星發(fā)射中心等，主要服務(wù)于航天發(fā)射， 總產(chǎn)能僅有4t/d， 最大的海南文昌液氫工廠產(chǎn)能也僅2t/d。目前， 中國(guó)民用液氫市場(chǎng)基本空白。
而對(duì)標(biāo)歐美，美國(guó)是全球最大、最成熟的液氫生產(chǎn)和應(yīng)用地域，擁有15座以上的液氫工廠， 全部是5t/d以上的中大規(guī)模，總產(chǎn)能達(dá)到375t/d。此外，亞洲有16座液氫工廠， 日本占了2/3。
另外一種是借由管道運(yùn)輸，但現(xiàn)實(shí)是，我國(guó)氫氣管網(wǎng)嚴(yán)重不足，全國(guó)累計(jì)僅有100km輸氫管道，且主要分布在環(huán)渤海灣、長(zhǎng)江三角洲等地。在2016年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，全球共有4542km的氫氣管道，其中美國(guó)有2608km的輸氫管道， 歐洲有1598km的輸氫管道。
目前，我國(guó)僅僅在《中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍(lán)皮書(shū)》提到，期望在2030年建成1000m長(zhǎng)的氫氣運(yùn)輸管道。而對(duì)比國(guó)外，管道運(yùn)輸已經(jīng)開(kāi)始全面與上下游形成聯(lián)動(dòng)。
例如，德國(guó)在北萊茵至威斯特法倫州鋪設(shè)的240km的氫氣管道，在給用戶(hù)供氫的同時(shí)這些氫氣管道也為工業(yè)所用。德國(guó)Frankfurt的氫氣管道直連加氫站與氯堿電解工廠，可以免去壓縮機(jī)直接供氫。
總結(jié)來(lái)說(shuō)，由于上層規(guī)劃的缺失，我國(guó)氫能運(yùn)輸仍處于“地方割據(jù)”的局面，還未形成規(guī)模經(jīng)濟(jì)。
04破題關(guān)鍵詞：液氫
氫能源產(chǎn)業(yè)的相關(guān)的難題是多方面的，但抽絲剝繭，氫能源產(chǎn)業(yè)迫切需要解決的問(wèn)題集中在存儲(chǔ)和運(yùn)輸之上。
原理很簡(jiǎn)單，“綠氫”的生產(chǎn)技術(shù)可以逐步迭代，但氫氣如果不能長(zhǎng)期低成本地存儲(chǔ)，生產(chǎn)再多的“綠氫”都是徒增消耗。
此外，氫氣如果不能便捷運(yùn)輸，氫能的廣泛應(yīng)用就是無(wú)從談起。對(duì)照電力行業(yè)，正是高壓輸電技術(shù)的成熟，電力才能在全國(guó)范圍內(nèi)大規(guī)模應(yīng)用。
而儲(chǔ)氫與運(yùn)氫問(wèn)題的源頭，在于液氫。
無(wú)論是存儲(chǔ)端的低溫業(yè)態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)，還是中長(zhǎng)距離的液氫運(yùn)輸，都少不了大規(guī)模液氫的身影。因此，如何提升液氫產(chǎn)量、開(kāi)發(fā)相關(guān)儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備，是氫能應(yīng)用降成本的關(guān)鍵。
歐美日氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也能佐證這一點(diǎn)。歐盟早《未來(lái)氫能和燃料電池展望總結(jié)報(bào)告》就提到液氫重要性，同時(shí)在液氫方面的投資也從不吝嗇。2021年在法國(guó)，一個(gè)液氫廠的投資就超過(guò)1.5億美元。
美國(guó)壟斷了全球85%的液氫生產(chǎn)和應(yīng)用，根據(jù)美國(guó)氫能分析中心的統(tǒng)計(jì)，在液氫的幫助下，美國(guó)的氫能源被大量用于石油化工行業(yè)和電子、冶金等行業(yè)，兩大行業(yè)平均每年要消耗掉82000噸的液氫。
日本則在液氫加氫站方面走在了前列。液氫加氫站具有占地小，儲(chǔ)量大的優(yōu)勢(shì)，甚至能完成制氫就發(fā)生在加氫站里。
目前，日本有建成142座，占全球加氫站總數(shù)的25%，依托于加氫站，日本燃料汽車(chē)投放使用全球領(lǐng)先，燃料汽車(chē)的商業(yè)化也是全球最好的。
所以，中國(guó)的液氫亟需從當(dāng)前軍用、航天領(lǐng)域，走向大規(guī)模民用環(huán)節(jié)。
思考?xì)W美日液氫的發(fā)展歷程，我們有許多借鑒之處，概括而言，包括三點(diǎn)：
一、政策引導(dǎo)，為相關(guān)工作提前鋪好路。2021年5月，國(guó)家相關(guān)部門(mén)陸續(xù)出臺(tái)了《氫能汽車(chē)用燃料液氫》、《液氫生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》和《液氫貯存和運(yùn)輸技術(shù)要求》三個(gè)文件，制定了三項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，這將對(duì)液氫發(fā)展起到關(guān)鍵性引領(lǐng)作用。
二、龍頭企業(yè)牽頭，建成大規(guī)模氫液化系統(tǒng)。液氫生產(chǎn)工廠的建設(shè)成本高，必須由龍頭企業(yè)率先投產(chǎn)，提高生產(chǎn)規(guī)模，才能有效降低單位成本。
三、系統(tǒng)整合相關(guān)資源，發(fā)揮產(chǎn)學(xué)研機(jī)制作用。例如，建立政府、研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的氫能源產(chǎn)學(xué)研合作平臺(tái)，將科研產(chǎn)品第一時(shí)間應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中。
05結(jié)語(yǔ)
世界已進(jìn)入雙碳時(shí)代。國(guó)際氫能委員會(huì)預(yù)計(jì)，2050 年氫能源將占全球能源消耗總量的18%，催生年產(chǎn)值2.5萬(wàn)億美元的產(chǎn)業(yè)。
世界各國(guó)對(duì)氫能源越發(fā)重視，歐美日各國(guó)氫能源產(chǎn)業(yè)的規(guī)劃已經(jīng)做到了2050年后，并且還在迭代更新；而在我國(guó)，自2021年氫能被列為“十四五”規(guī)劃重點(diǎn)發(fā)展產(chǎn)業(yè)后，國(guó)家和各地政府迅速出臺(tái)了400多項(xiàng)政策，規(guī)劃了2025年之前的產(chǎn)業(yè)發(fā)展目標(biāo)。
一場(chǎng)事關(guān)產(chǎn)業(yè)政策、技術(shù)競(jìng)技的產(chǎn)業(yè)爭(zhēng)霸賽已經(jīng)打響。